CN102661284A - 隧道施工通风***节能运行控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道施工通风***节能运行控制***及方法，其***包括供电电源和控制器模块，以及与控制器模块相接的参数设置模块和变频器，风机与变频器的输出端相接，控制器模块的输入端接有通信模块，通信模块的输入端接有风速传感器；其方法包括步骤：一、风速标准值的设定；二、风速标准值的选择，三、风速信号的实时检测及传输；四、信号采样及分析处理；五、对风机进行变频调速；六、当进行隧道施工其他作业工序时，通过参数设置模块选择其他作业工序的风速标准值，重复进行步骤二到五，直至隧道施工所有作业工序结束为止。本发明设计新颖合理，使用操作便捷，控制精度高，工作可靠性高，达到了节能降耗的目的，实用性强，便于推广应用。

Description

隧道施工通风***节能运行控制***及方法

技术领域

本发明属于隧道施工通风技术领域，尤其是涉及一种隧道施工通风***节能运行控制***及方法。

背景技术

隧道建设施工一般采取一条隧道双头或多作业面掘进，多工序作业，逐渐延伸，最后实现贯通。施工中，由于钻孔、******、装渣、喷射混凝土、内燃机械和运输车辆的废气排放等会产生大量的有毒有害气体和粉尘，使隧道内狭窄空间的空气非常污浊，使作业环境恶劣。在这种环境中作业，会对施工人员身体健康造成了极大的危害，如导致一氧化碳中毒、人员呼吸困难、工作效率降低等。施工过程中必须向洞内供给足够的新鲜空气，稀释和置换排出有毒有害气体和降低粉尘浓度,改善劳动条件,保障施工作业人员的身体健康和施工装备正常运转，实现安全生产，提高劳动生产率。

隧道施工中向洞内供给足够的新鲜空气是依靠通风***实现的。通风***是由风机和与风机连接的风管构成，若采用压入式通风模式，风机一般采用轴流风机，风管从隧道外一直延伸至作业面附近。通风***向作业面提供足够的新鲜空气量（风量）以满足隧道正常施工对风量的要求。隧道正常施工对风量的要求包括以下几个方面：

（1）满足隧道内作业人员呼吸到足够的新鲜空气量，按洞内作业人员每人呼吸所需新鲜空气量为3m³/min计算。

（2）满足作业面有害气体的浓度在规定时间内降低到允许浓度以下。要求的相应风量与一次同时***的***量等有关。

（3）满足洞内最低风速不低于0.15m/s，要求的相应风量与隧道断面面积和由于洞内外温差产生的对流效果有关。

（4）满足内燃机械和运输车辆在洞内正常运行需要，要求的相应风量与同时在洞内作业内燃设备的数量、功率以及是否安装废气净化装置有关。

（5）满足隧道内气温不超过28℃，要求的相应风量与隧道掘进的长度和气候条件等有关。

要满足隧道施工对风量的要求，通风***必须具有足够的压力（即风压）以克服通风阻力并使风管出口风流具有一定的动压。通风阻力主要是由风管摩擦阻力和局部阻力构成，它们与风管的摩阻系数、通风距离（风管长度）、风管直径、空气密度、空气在风管内的流动速度、风管的平顺度和风管的接头数量等有关。风管出口风流的动压要满足隧道施工时不同作业工序对风量的相应要求。

隧道施工过程中通风***风量和风压的乘积决定了风机的负载，风机的负载也就是驱动风机的电动机的负载。隧道施工用风机的驱动电动机一般采用三相交流异步电动机。电动机的负载决定了电动机的能耗。

隧道施工是多工序作业，长度逐渐延伸，这就决定了隧道施工通风***负载不是恒定的。在进行不同工序作业时***要求的风量不同，随着隧道长度逐渐延伸，***要求的风压逐渐增加。归纳起来，隧道施工中通风***的负载有以下四类工况：低风压小风量工况、低风压大风量工况、高风压小风量工况、高风压大风量工况。通风***在不同工况下，由于负载不同，其消耗的能量也不同。小风量低风压工况***消耗的能量较少；高风压大风量工况***消耗的能量较多。

在配置隧道施工通风***风机时，要求风机的额定输出风压和风量满足通风***最大负载要求，即风机的额定输出风压大于等于实现最长通风距离（风管长度）正常通风所要求风压，风机的额定输出风量大于等于用风量最大的作业工序所要求的风量和最长通风距离时风管的漏风量之和。

风机的转速决定了风机的输出风量，风机由电动机驱动，电动机的转速决定了风机的输出风量，因此改变电动机的转速就可以实现对风机输出风量的调节。

由电机理论可知,交流异步电动机的转速与电源频率成正比，与电动机极对数成反比，即由下式确定：n=kf(1-s)/p，其中：f为电动机的电源频率，n为异步电动机的转速，s为电动机转差率，p为电动机磁极对数。由上式可以看出，通过调节电动机交流电源频率，可以实现对电动机的转速进行调节。因此采用电动机变频调速技术，对风机转速进行调节，可以实现使风机输出风量适应不同工况所要求的风量，减少能源浪费，达到节能的目的。

但是，国内隧道施工通风中，大多数风机没有采用电动机变频调速技术，没有做到通过调节风机转速使风机输出风量适应不同工况所要求的风量，造成了能源浪费。少数风机配置了变频器，尽管可以利用变频器改变风机电源频率，实现对风机转速调节，但调整是由工作人员手动操作完成，由于隧道施工通风***是一种非线性、多干扰***，***的风速与风机的转速间的关系不是线性的，且受多种因素影响，使得利用变频调速技术实现隧道施工节能的潜力没有得到充分利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种设计合理、智能化程度高且使用效果好、经济实用的隧道施工通风***节能运行控制***。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种隧道施工通风***节能运行控制***，其特征在于：包括供电电源和控制器模块，以及与控制器模块相接并用于设定风速标准值的参数设置模块和用于根据控制器模块输出的控制指令对风机的转速进行变频调速的变频器，所述风机与所述变频器的输出端相接，所述控制器模块的输入端接有通信模块，所述通信模块的输入端接有设置在隧道施工作业面附近并用于对风速进行实时检测的风速传感器，所述供电电源包括用于给变频器供电的动力电源，以及与动力电源相接并用于给风速传感器、通信模块、控制器模块和参数设置模块供电的电压转换电路模块。

上述的隧道施工通风***节能运行控制***，其特征在于：所述通信模块为有线或/和无线通信模块。

上述的隧道施工通风***节能运行控制***，其特征在于：所述通信模块由与风速传感器相接且用于将风速传感器输出的电信号转换成光信号的第一***、与第一***的输出端相接并用于传输光信号的光纤缆和与光纤缆相接并用于将光纤缆传输来的光信号转换成电信号输出给控制器模块的第二***构成，所述第二***的输出端与所述控制器模块的输入端相接。

上述的隧道施工通风***节能运行控制***，其特征在于：所述风速传感器设置在与风机连接的风管出口处或设置在隧道内。

上述的隧道施工通风***节能运行控制***，其特征在于：所述控制器模块为可编程逻辑控制器。

上述的隧道施工通风***节能运行控制***，其特征在于：所述参数设置模块为键盘或触摸屏。

本发明还提供了一种使用操作简便、数据传输速度快、控制精度高、工作可靠性高且实用价值高的隧道施工通风***节能运行控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、风速标准值的设定：通过所述参数设置模块将隧道施工不同作业工序对风速的要求值设定为对应于相应工序的风速标准值V1、V2、…、Vn，控制器模块接收参数设置模块设定的风速标准值V1、V2、…、Vn并存储在相应的存储单元中，其中，n为自然数；

步骤二、风速标准值的选择：通过参数设置模块选择当前作业工序的风速标准值Vi，其中i=1、2、…、n；

步骤三、风速信号的实时检测及传输：通过所述风速传感器对隧道施工作业面附近的风速进行实时检测并将其所检测到的风速信号V通过通信模块实时传输给控制器模块；

步骤四、信号采样及分析处理：通过所述控制器模块对风速信号V和变频器的输出频率f进行周期性采样，并将采样得到的数据进行如下处理：

步骤401、所述控制器模块根据公式1－V/Vi对采样得到的风速信号V与当前作业工序的风速标准值Vi进行分析处理，得到风速差率1－V/Vi；

步骤402、所述控制器模块根据公式△f=（1－V/Vi）f对风速差率1－V/Vi与采样得到的变频器的输出频率f进行分析处理，得到变频器的输出频率f的增量△f值；

步骤五、对风机进行变频调速：所述控制器模块向变频器发送输出频率f改变△f值的控制指令，变频器的输出频率改变为f1=f+△f，通过变频器对风机进行变频调速，实现风机转速的改变，进而实现风机输出风量的改变，达到了对隧道施工作业面附近风量进行调节的目的，使得风速传感器所检测到的风速信号V趋近当前作业工序的风速标准值Vi；

步骤六、当进行隧道施工其他作业工序时，通过参数设置模块选择其他作业工序的风速标准值，重复进行步骤二到步骤五，直至隧道施工所有作业工序结束为止。

上述的隧道施工通风***节能运行控制方法，其特征在于：步骤三中通过通信模块将风速传感器所检测到的风速信号V实时传输给控制器模块的具体过程如下：

步骤301、通过第一***接收风速传感器所检测到的风速信号V并将风速信号V这一电信号转换成相应的光信号；

步骤302、第一***将步骤301中的到的光信号通过光纤缆传输给第二***；

步骤303、第二***接收光纤缆传输的光信号并将光信号转换成风速信号V这一电信号后实时传输给控制器模块。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明主要针对现有技术中的隧道施工通风***不能根据实际需要实时调节风机输出风量而提出，能够根据实际需要自动完成风机输出风量的实时调节，设计新颖合理，使用操作便捷。

2、本发明主要通过在现有技术中的隧道施工通风***中增加风速传感器、通信模块、控制器模块、参数设置模块和变频器来实现，实现方便且实现成本低。

3、本发明采用了电动机变频调速技术，通过在控制器模块中实现控制算法并通过变频器对风机进行变频控制，实现风机转速的改变，进而实现风机输出风量的改变，达到了对隧道施工作业面附近风量进行调节的目的，能够使得隧道施工作业面附近的实际风速满足需要，既不会造成风速不足的现象，也不会造成风速过大的现象，即能满足正常作业的风量要求，还能达到节能降耗的目的，减少了能源浪费。

4、本发明通信模块由与风速传感器相接且用于将风速传感器输出的电信号转换成光信号的第一***、与第一***的输出端相接并用于传输光信号的光纤缆和与光纤缆相接并用于将光纤缆传输来的光信号转换成电信号输出给控制器模块的第二***构成，数据传输速度快，通信可靠性高。

5、本发明的控制精度高，工作可靠性高，维护维修费用低。

6、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广应用。

综上所述，本发明设计新颖合理，使用操作便捷，实现成本低，控制精度高，工作可靠性高，达到了节能降耗的目的，实用性强，使用效果好，便于推广应用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明隧道施工通风***节能运行控制***的电路原理框图。

图2为本发明隧道施工通风***节能运行控制方法的方法流程图。

附图标记说明:

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的隧道施工通风***节能运行控制***，包括供电电源6和控制器模块3，以及与控制器模块3相接并用于设定风速标准值的参数设置模块7和用于根据控制器模块3输出的控制指令对风机5的转速进行变频调速的变频器4，所述风机5与所述变频器4的输出端相接，所述控制器模块3的输入端接有通信模块2，所述通信模块2的输入端接有设置在隧道施工作业面附近并用于对风速进行实时检测的风速传感器1，所述供电电源6包括用于给变频器4供电的动力电源6-1，以及与动力电源6-1相接并用于给风速传感器1、通信模块2、控制器模块3和参数设置模块7供电的电压转换电路模块6-2。

本实施例中，所述通信模块2为有线或/和无线通信模块。具体地，所述通信模块2由与风速传感器1相接且用于将风速传感器1输出的电信号转换成光信号的第一***2-1、与第一***2-1的输出端相接并用于传输光信号的光纤缆2-2和与光纤缆2-2相接并用于将光纤缆2-2传输来的光信号转换成电信号输出给控制器模块3的第二***2-3构成，所述第二***2-3的输出端与所述控制器模块3的输入端相接。另外，通信模块2还可以由与与风速传感器相接的第一无线通信模块和与控制器模块相接的第二无线通信模块构成，所述第一无线通信模块和第二无线通信模块均为GPRS模块、CDMA模块或3G模块。

本实施例中，所述风速传感器1设置在与风机5连接的风管出口处或设置在隧道内；当风速传感器1设置在风管出口处时，风速传感器1检测到的风速信号V乘以风管的断面积即为隧道施工作业面的风量值；当风速传感器1设置在隧道内时，风速传感器1检测到的风速信号V乘以隧道断面积即为隧道施工作业面的风量值。所述控制器模块3为可编程逻辑控制器。所述参数设置模块7为键盘或触摸屏。

结合图2，本发明所述的隧道施工通风***节能运行控制方法，包括以下步骤：

步骤一、风速标准值的设定：通过所述参数设置模块7将隧道施工不同作业工序对风速的要求值设定为对应于相应工序的风速标准值V1、V2、…、Vn，控制器模块3接收参数设置模块7设定的风速标准值V1、V2、…、Vn并存储在相应的存储单元中，其中，n为自然数；

步骤二、风速标准值的选择：通过参数设置模块7选择当前作业工序的风速标准值Vi，其中i=1、2、…、n；

步骤三、风速信号的实时检测及传输：通过所述风速传感器1对隧道施工作业面附近的风速进行实时检测并将其所检测到的风速信号V通过通信模块2实时传输给控制器模块3；

步骤四、信号采样及分析处理：通过所述控制器模块3对风速信号V和变频器4的输出频率f进行周期性采样，并将采样得到的数据进行如下处理：

步骤401、所述控制器模块3根据公式1－V/Vi对采样得到的风速信号V与当前作业工序的风速标准值Vi进行分析处理，得到风速差率1－V/Vi；

步骤402、所述控制器模块3根据公式△f=（1－V/Vi）f对风速差率1－V/Vi与采样得到的变频器4的输出频率f进行分析处理，得到变频器4的输出频率f的增量△f值；

步骤五、对风机5进行变频调速：所述控制器模块3向变频器4发送输出频率f改变△f值的控制指令，变频器4的输出频率改变为f1=f+△f，通过变频器4对风机5进行变频调速，实现风机5转速的改变，进而实现风机5输出风量的改变，达到了对隧道施工作业面附近风量进行调节的目的，使得风速传感器1所检测到的风速信号V趋近当前作业工序的风速标准值Vi；

具体地，当V﹤Vi时，△f=（1－V/Vi）f＞0，f1=（f+△f）＞f，变频器4输出频率随之提高，使得作为变频器4负载的风机5转速提高，风机5转速提高，风机5的输出风速和隧道施工作业面附近的风速相应提高，隧道施工作业面附近的风量也就增加了，满足正常作业的风量要求；当V﹥Vi时，△f=（1－V/Vi）f﹤0，f1=（f+△f）﹤f，变频器4输出频率随之降低，使得作为变频器4负载的风机5转速降低，风机5转速降低，风机5的输出风速和隧道施工作业面附近的风速相应减少，隧道施工作业面附近的风量也就减少了，减少了不必要的能源浪费，实现了隧道施工通风***的节能运行；

步骤六、当进行隧道施工其他作业工序时，通过参数设置模块7选择其他作业工序的风速标准值，重复进行步骤二到步骤五，直至隧道施工所有作业工序结束为止。

本实施例中，步骤三中通过通信模块2将风速传感器1所检测到的风速信号V实时传输给控制器模块3的具体过程如下：

步骤301、通过第一***2-1接收风速传感器1所检测到的风速信号V并将风速信号V这一电信号转换成相应的光信号；

步骤302、第一***2-1将步骤301中的到的光信号通过光纤缆2-2传输给第二***2-3；

步骤303、第二***2-3接收光纤缆2-2传输的光信号并将光信号转换成风速信号V这一电信号后实时传输给控制器模块3。

隧道施工通风***是一种非线性、多干扰***，隧道施工作业面附近的风速与风机5的转速间的关系不是线性的，且受多种因素影响。本发明中，控制器模块3采用了步骤三中的近似计算方法，在隧道施工的某一作业工序中，通过采样周期为T的周期性采样，多次采样并多次调整变频器4的输出频率f，使得风速传感器1所检测到的风速信号V趋近当前作业工序的风速标准值Vi，即使得隧道施工作业面附近的实际风速趋近要求值。能够使得隧道施工作业面附近的实际风速满足需要，既不会造成风速不足的现象，也不会造成风速过大的现象，即能满足正常作业的风量要求，还能达到节能降耗的目的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种隧道施工通风***节能运行控制***，其特征在于：包括供电电源（6）和控制器模块（3），以及与控制器模块（3）相接并用于设定风速标准值的参数设置模块（7）和用于根据控制器模块（3）输出的控制指令对风机（5）的转速进行变频调速的变频器（4），所述风机（5）与所述变频器（4）的输出端相接，所述控制器模块（3）的输入端接有通信模块（2），所述通信模块（2）的输入端接有设置在隧道施工作业面附近并用于对风速进行实时检测的风速传感器（1），所述供电电源（6）包括用于给变频器（4）供电的动力电源（6-1），以及与动力电源（6-1）相接并用于给风速传感器（1）、通信模块（2）、控制器模块（3）和参数设置模块（7）供电的电压转换电路模块（6-2）。

2.按照权利要求1所述的隧道施工通风***节能运行控制***，其特征在于：所述通信模块（2）为有线或/和无线通信模块。

3.按照权利要求2所述的隧道施工通风***节能运行控制***，其特征在于：所述通信模块（2）由与风速传感器（1）相接且用于将风速传感器（1）输出的电信号转换成光信号的第一***（2-1）、与第一***（2-1）的输出端相接并用于传输光信号的光纤缆（2-2）和与光纤缆（2-2）相接并用于将光纤缆（2-2）传输来的光信号转换成电信号输出给控制器模块（3）的第二***（2-3）构成，所述第二***（2-3）的输出端与所述控制器模块（3）的输入端相接。

4.按照权利要求1、2或3所述的隧道施工通风***节能运行控制***，其特征在于：所述风速传感器（1）设置在与风机（5）连接的风管出口处或设置在隧道内。

5.按照权利要求1、2或3所述的隧道施工通风***节能运行控制***，其特征在于：所述控制器模块（3）为可编程逻辑控制器。

6.按照权利要求1、2或3所述的隧道施工通风***节能运行控制***，其特征在于：所述参数设置模块（7）为键盘或触摸屏。

7.一种利用如权利要求3所述控制***的隧道施工通风***节能运行控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、风速标准值的设定：通过所述参数设置模块（7）将隧道施工不同作业工序对风速的要求值设定为对应于相应工序的风速标准值V1、V2、…、Vn，控制器模块（3）接收参数设置模块（7）设定的风速标准值V1、V2、…、Vn并存储在相应的存储单元中，其中，n为自然数；

步骤二、风速标准值的选择：通过参数设置模块（7）选择当前作业工序的风速标准值Vi，其中i=1、2、…、n；

步骤三、风速信号的实时检测及传输：通过所述风速传感器（1）对隧道施工作业面附近的风速进行实时检测并将其所检测到的风速信号V通过通信模块（2）实时传输给控制器模块（3）；

步骤四、信号采样及分析处理：通过所述控制器模块（3）对风速信号V和变频器（4）的输出频率f进行周期性采样，并将采样得到的数据进行如下处理：

步骤401、所述控制器模块（3）根据公式1－V/Vi对采样得到的风速信号V与当前作业工序的风速标准值Vi进行分析处理，得到风速差率1－V/Vi；

步骤402、所述控制器模块（3）根据公式△f=（1－V/Vi）f对风速差率1－V/Vi与采样得到的变频器（4）的输出频率f进行分析处理，得到变频器（4）的输出频率f的增量△f值；

步骤五、对风机（5）进行变频调速：所述控制器模块（3）向变频器（4）发送输出频率f改变△f值的控制指令，变频器（4）的输出频率改变为f1=f+△f，通过变频器（4）对风机（5）进行变频调速，实现风机（5）转速的改变，进而实现风机（5）输出风量的改变，达到了对隧道施工作业面附近风量进行调节的目的，使得风速传感器（1）所检测到的风速信号V趋近当前作业工序的风速标准值Vi；

步骤六、当进行隧道施工其他作业工序时，通过参数设置模块（7）选择其他作业工序的风速标准值，重复进行步骤二到步骤五，直至隧道施工所有作业工序结束为止。

8.按照权利要求7所述的控制方法，其特征在于：步骤三中通过通信模块（2）将风速传感器（1）所检测到的风速信号V实时传输给控制器模块（3）的具体过程如下：

步骤301、通过第一***（2-1）接收风速传感器（1）所检测到的风速信号V并将风速信号V这一电信号转换成相应的光信号；

步骤302、第一***（2-1）将步骤301中的到的光信号通过光纤缆（2-2）传输给第二***（2-3）；

步骤303、第二***（2-3）接收光纤缆（2-2）传输的光信号并将光信号转换成风速信号V这一电信号后实时传输给控制器模块（3）。

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